Противопожарные преграды на основе теплозащитных сетчатых экранов для защиты объектов нефтегазового комплекса Шимко Василий Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Анализ статистики опасных инцидентов на объектах нефтегазового комплекса, требований норм к противопожарным преградам и существующих конструкций преград 13

1.1 Анализ статистических данных об опасных инцидентах на объектах нефтегазового комплекса 13

1.2 Основные нормативные требования, предъявляемые к противопожарным преградам 17

1.3 Анализ существующих конструкций противопожарных и теплозащитных преград 20

1.4 Цель и задачи исследования 28

Глава 2 Теоретические исследования принципа работы противопожарных преград на основе теплозащитных сетчатых экранов 30

2.1 Оценка коэффициента ослабления лучистого теплового потока теплозащитным экраном без водяного орошения 30

2.2 Режим «сухой» сетки 32

2.2.1 Теплообмен на первой сетке 32

2.2.2 Теплопоглощение паро-воздушно-капельной средой 34

2.2.3 Прохождение ИК-излучения через систему 37

2.3 Режим «мокрой» сетки 38

2.4 Численные оценки процессов поглощения и отвода тепла теплозащитным экраном 39

2.5 Численные оценки коэффициента поглощения тепловых потоков в режиме «сухой» сетки 42

2.6 Численные оценки коэффициента поглощения тепловых потоков в режиме «мокрой» сетки 46

2.7 Оценка коэффициента ослабления лучистого теплового потока противопожарной преградой при «стандартном» пожаре 48

Глава 3 Средства распыления воды 56

3.1 Выбор способа распыления и вида распылителя 56

3.1.1 Характеристики распылов 62

3.1.2 Классификация форсунок 70

3.1.3 Обоснование способа распыления жидкости 72

3.2 Конструкция форсунки 75

3.3 Экспериментальное определение характеристик форсунок 82

3.3.1 Стенд для испытания форсунок 82

3.3.2 Дисперсность распыляемой воды 82

3.3.3 Статистическое распределение капель с разными диаметрами в потоке 85

Глава 4 Экспериментальные исследования эффективности ослабления тепловых потоков противопожарными преградами на основе теплозащитных сетчатых экранов 89

4.1 Задачи экспериментальных исследований и требования к разработке экспериментальных стендов 89

4.2 Экспериментальное определение параметров и характеристик теплозащитных экранов, обеспечивающих максимальную степень ослабления тепловых потоков 90

4.2.1 Разработка экспериментального стенда и методики исследований 90

4.2.2 Результаты экспериментов и обработка полученных данных 94

4.2.2.1 Определение оптимальных параметров сеток теплозащитного экрана 94

4.2.2.2 Определение оптимальных расходов воды 94

4.2.2.3 Определение оптимальных расстояний между сетками 95

4.3 Экспериментальное исследование характеристик противопожарных преград и теплозащитных экранов в условиях горения пролива горючих жидкостей и лесопиломатериалов с плотностью теплового излучения пламени до 75 кВт/м2 97

4.3.1 Разработка экспериментального стенда и методики исследований 97

4.3.2 Результаты экспериментов и обработка полученных данных 98

4.3.2.1 Испытания противопожарной преграды в виде теплозащитного коридора 99

4.3.3 Испытания противопожарной преграды на огнестойкость 102

4.4 Экспериментальное исследование характеристик противопожарной преграды при возникновении аварийной ситуации в местах хранения сжиженного природного газа 110

4.4.1 Разработка экспериментального стенда и методики исследований 110

4.4.2 Результаты экспериментов и обработка полученных данных 112

4.4.2.1 Исследования характеристик противопожарного устройства в условиях горения пролива сжиженного природного газа с внешней стороны конструкции 113

4.4.2.2 Исследования характеристик противопожарного устройства в условиях горения пролива сжиженного природного газа внутри конструкции 117

4.5 Измерительная и регистрирующая аппаратура, используемая при проведении экспериментов 119

Глава 5 Модельный ряд противопожарных преград и теплозащитных экранов, используемых на практике 121

5.1 Противопожарные преграды для защиты пожароопасных объектов 121

5.2 Противопожарное устройство для рассеивания газового облака, образующегося при утечке из наземной емкости хранения сжиженного природного газа 123

5.3 Теплозащитные экраны для защиты личного состава пожарной охраны 125

5.3.1 Теплозащитный экран «Согда» 1А.01 125

5.3.2 Теплозащитный экран «Согда» 1В 126

5.3.3 Теплозащитный экран «Согда» 2А 127

5.4 Теплозащитные экраны для защиты оборудования, эвакуации людей 128

5.5 Теплозащитные экраны для защиты людей при проведении работ по ликвидации аварий на газовых и нефтяных фонтанах 129

Заключение 131

Список литературы 133

Приложение А Акты внедрения 146

• Анализ существующих конструкций противопожарных и теплозащитных преград
• Характеристики распылов
• Разработка экспериментального стенда и методики исследований
• Испытания противопожарной преграды на огнестойкость

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Нефтегазовая промышленность России является одной из важнейших отраслей национальной экономики, способствующей развитию других отраслей народного хозяйства и обеспечивающей существенный вклад в валовый национальный продукт. Вместе с тем, предприятия нефтегазового комплекса (НГК) относятся к объектам повышенной опасности, так как газ, нефть и продукты их переработки при определенных условиях могут взрываться и (или) гореть.

Анализ статистических данных о пожарах и взрывах на объектах НГК, выполненный за период с 1998 по 2016 гг., показал, что на них практически еженедельно происходят деструктивные события, приводящие к травмам и гибели людей, значительному материальному и экологическому ущербам. При этом отличительной особенностью большинства пожаров проливов горючих жидкостей (ГЖ) и сжиженного природного газа (СПГ) являлась высокая интенсивность тепловых потоков, воздействие которых приводило к уничтожению технологического оборудования, зданий, сооружений, различной техники, затруднению работы и обеспечения безопасности как персонала объекта, так и личного состава пожарной охраны.

Таким образом, одной из актуальных задач в системе противопожарной защиты объектов НГК является разработка надежных противопожарных преград, существенно снижающих плотность тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ, чему и посвящена настоящая работа.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам разработки противопожарных преград посвящено большое количество работ, выполненных как отечественными (Ройтман М.Я., Иванов Е.Н., Петров В.К., Исхаков Х.И., Полежаев Ю.В., Морозюк Ю.В., Кошмаров Ю.А., Карпов В.Л., Страхов В.Л., Давыдкин Н.Ф., Заикин С.В., Копылов Н.П., Брушлинский Н.Н., Усманов М.Х. и др.), так и зарубежными учеными (Jacques R., Tonkia R., Smith W., Nevin L., Sakurai A., Stoebich J., Hattori T., Jamison W. et all).

Однако, анализ результатов этих исследований, а также российских и зарубежных патентов на изобретения в рассматриваемой области, показал, что применяемые как в отечественной, так и в мировой практике противопожарные преграды имеют ряд существенных недостатков, в частности, ограниченный предел огнестойкости, требование большого расхода воды, сложность конструкций, неприемлемо высокая стоимость и др. При этом важно отметить, что простая модернизация любого из существующих способов обеспечения теплозащиты не позволяет существенно повысить их эффективность, что требует поиска новых технических решений.

Целью работы являлась разработка высокоэффективных противопожарных преград на основе теплозащитных сетчатых экранов, принцип действия которых основан на многократном ослаблении плотности теплового излучения пламени пожаров проливов ГЖ и СПГ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– предложить альтернативный способ защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ на основе применения теплозащитных сетчатых экранов;

– выполнить теоретические исследования механизма теплопереноса, протекающего при взаимодействии потока энергии, излучаемого пожаром, с теплозащитным сетчатым экраном, а также численные оценки коэффициентов поглощения тепловых потоков в режимах «сухой» и «мокрой» сеток экрана;

– обосновать наиболее эффективный способ распыления воды в межсеточном пространстве экрана и оптимальную конструкцию форсунки с экспериментальным определением ее характеристик, направленных на обеспечение равномерного заполнения межсеточного пространства экрана каплями распыляемой воды;

– экспериментально определить оптимальные параметры теплозащитных экранов (материал сеток, диаметр проволоки, размеры ячеек, межсеточное расстояние, расход воды на 1 м² экрана), обеспечивающих максимальную степень ослабления тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ, а также огнестойкость противопожарной преграды, выполненной на основе применения теплозащитных сетчатых экранов;

– разработать модельный ряд противопожарных преград и теплозащитных экранов для защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ.

Объектом исследования являлся процесс ослабления плотности теплового потока пожара пролива ГЖ и СПГ, определяющий эффективность противопожарных преград и теплозащитных сетчатых экранов.

В качестве предмета исследования рассматривались различные модели противопожарных преград и теплозащитных сетчатых экранов, конструктивную основу которых составляли металлический каркас, сетчатые панели и специальные форсунки, распыляющие воду между панелями.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен альтернативный способ защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ путем разработки противопожарных преград на основе теплозащитных сетчатых экранов, действие которых базируется на многократном ослаблении плотности теплового излучения пламени.

2. В результате теоретических исследований механизма теплопереноса, протекающего при взаимодействии потока энергии, излучаемого пожаром, с теплозащитным сетчатым экраном, а также численных оценок коэффициентов поглощения тепловых потоков в режимах «сухой» и «мокрой» сеток экрана установлено, что коэффициент ослабления плотности теплового потока пожара теплозащитным экраном в режиме «мокрой» сетки достигает 80 раз.

3. Обосновано применение гидравлического способа для распыления воды
в межсеточном пространстве теплозащитного экрана, как наиболее экономич
ного и имеющего максимальный КПД распыления. При этом показано, что
оптимальным распыливающим устройством будет являться форсунка-симбиоз
конструктивных схем щелевой, струйной и ударно-струйной форсунок.
Численно и экспериментально определены характеристики форсунки, обеспе
чивающие равномерное заполнение межсеточного пространства экрана каплями
распыляемой воды.

4. Экспериментально определены оптимальные параметры (материал
сеток, диаметр проволоки, размеры ячеек, межсеточное расстояние, расход
воды на 1 м² экрана) и характеристики (значения величин снижения тепловых
потоков) теплозащитных экранов, обеспечивающие максимальную степень
ослабления тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ, а также установ
лено, что предел огнестойкости противопожарной преграды, выполненной
на основе применения теплозащитных сетчатых экранов, составляет не менее
EIW 150, при этом класс конструктивной пожарной опасности такой конструк
ции – К0.

5. Разработан модельный ряд противопожарных преград и теплозащитных
экранов для защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков
пожаров проливов ГЖ и СПГ.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в использовании полученных при ее выполнении результатов теоретических и экспериментальных исследований при разработке противопожарных преград на основе теплозащитных сетчатых экранов и их применении на различных объектах НГК и в оперативных подразделениях Государственной противопожарной службы МЧС России. В частности, разработаны и широко применяются на практике:

– противопожарные преграды «Согда» для защиты пожароопасных объектов;

– противопожарные устройства для рассеивания газового облака, образующегося при утечке СПГ из наземной емкости хранения;

– теплозащитные экраны для защиты личного состава пожарной охраны моделей «Согда» 1А.01, «Согда» 1В и «Согда» 2А;

– теплозащитные экраны для защиты оборудования, зданий и эвакуации людей модели «Согда» 3;

– теплозащитные экраны для защиты людей при проведении работ по ликвидации аварий на газовых и нефтяных фонтанах модели «Согда» 4.

Методология и методы исследования. Основу теоретических исследований составляли методы теории теплообмена, оптической теории излучения, теории вероятностей и математической статистики, выявления закономерностей, описания, обобщения. Результаты численных расчетов подтверждены результатами экспериментальных исследований с использованием современных поверенных приборов и оборудования.

Информационной основой исследования являлись отечественные и зарубежные литературные, правовые и нормативные источники, материалы расследований аварий и пожаров с участием ГЖ и СПГ на объектах НГК, а также научно-исследовательских работ в области разработки противопожарных преград.

Положения, выносимые на защиту:

– противопожарные преграды на основе теплозащитных сетчатых экранов как альтернативный способ защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ;

– результаты теоретических исследований механизма теплопереноса, протекающего при взаимодействии потока энергии, излучаемого пожаром, с теплозащитным сетчатым экраном, а также численных расчетов коэффициентов поглощения тепловых потоков в режимах «сухой» и «мокрой» сеток экрана;

– результаты численного и экспериментального определения характеристик форсунки, обеспечивающих равномерное заполнение межсеточного пространства экрана каплями распыляемой воды;

– результаты экспериментального определения оптимальных параметров теплозащитных экранов, обеспечивающих максимальную степень ослабления тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ, а также огнестойкости противопожарной преграды, выполненной на основе применения теплозащитных сетчатых экранов;

– модельный ряд противопожарных преград и теплозащитных экранов для защиты людей и оборудования от воздействия тепловых потоков пожаров проливов ГЖ и СПГ.

Степень достоверности полученных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, подтверждается: обоснованностью выбора параметров и критериев, позволяющих сравнивать теоретические и экспериментальные данные; соответствием методик проведения экспериментальных исследований реальным условиям эксплуатации противопожарных преград и теплозащитных экранов на пожаре; использованием аттестованной измерительной аппаратуры, апробированных методик измерения и обработки экспериментальных данных; внутренней непротиворечивостью результатов и их согласованностью с данными других исследователей.

Материалы диссертации реализованы при:

– разработке нормативного документа по пожарной безопасности «Рекомендации по применению теплозащитных экранов». М.: ВНИИПО, 2012 г.;

– разработке нормативного документа по пожарной безопасности «Рекомендации по пожаробезопасному применению малотоннажных установок хранения и распределения сжиженного природного газа». М.: ВНИИПО, 2014 г.;

– разработке свода правил СП 155.13130.2014 «Склады нефти и нефтепродуктов. Требования пожарной безопасности». М.: ВНИИПО, 2014 г.;

– разработке свода правил СП 231.1311500.2015 «Обустройство нефтяных и газовых месторождений. Требования пожарной безопасности». М.: ВНИИПО, 2015 г.;

– практическом применении теплозащитных экранов для защиты персонала и оборудования объектов добычи, подготовки и транспорта газа на объектах ОАО «Газпром», 2015 г.;

– разработке и внедрении новых методов тушения нефтепродуктов в резервуарах и крупных площадных пожаров. Дзержинский: ФГУП «Федеральный центр двойных технологий «Союз», 2017 г.

Основные результаты работы доложены на:

– Международной научно-практической конференции «Организационные и научно-технические проблемы обеспечения пожарной безопасности» (г. Ташкент, ВТШПБ МВД РУз., 2008);

– Научно-практической конференции «Ориентированные фундаментальные исследования – от современной науки к технике будущего» в рамках 10-ой юбилейной специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (М.: Эксподизайн-Холдинг, 2009);

– XXIX Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ФГБУ ВНИИПО МЧС России «Горение и проблемы тушения пожаров» (М.: ВНИИПО, 2017).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 149 страницах текста, включает в себя 5 таблиц, 58 рисунков, список литературы из 114 наименований.

Анализ существующих конструкций противопожарных и теплозащитных преград

Наиболее полно перечень различных видов ограждающих конструкций, в том числе и преград, и применяемых материалов для их создания, а также рекомендации по их возможному применению в целях повышения пожаробез-опасности объектов, безопасности и эффективности работ по локализации и тушению пожаров, представлен в монографии М.Я. Ройтмана [31]. В работе отмечается, что теплозащитная преграда представляет собой устройство, предназначенное для отражения и/или поглощения лучистой энергии. Лучистая энергия способствует усилению взаимного теплообмена и распространению пожара. Наличие экранов способствует ослаблению влияния теплообмена и ограничению распространения пожара, также преграды могут быть использованы как средство, предупреждающее возникновение пожара. Применяются преграды без теплового сопротивления, отражающие только лучистую энергию, и теплоотводящие преграды, которые поглощают тепло или охлаждают нагретые поверхности водяной завесой. Теплозащитные преграды-завесы относят к поглотительным экранам, так как их эффективность оценивают количеством поглощенной теплоты. Различают прозрачные завесы, полупрозрачные и практически непрозрачные (аэродисперсные). Водяные завесы, создаваемые спринклерными или дренчерными головками, являются прозрачными, так как поглощают лишь 20 % энергии, расходуемой на нагревание и испарение воды, и пропускают незначительно уменьшенный лучистый поток (до 80 %). Эффективность таких завес достигается при их сочетании с жесткими экранами или при значительных расходах воды и большой толщине экрана. Однако, исходя из того, что суммарный расход воды, требуемый на создание завесы, достигает больших значений, применение указанного способа в составе других установок автоматического пожаротушения может создать проблему бесперебойной подачи воды при действующей водопроводной системе на объекте [32]. Поэтому в качестве самостоятельных противопожарных преград они не могут быть рекомендованы. Водяные завесы устраивают для того, чтобы исключить возможность перехода огня, например, по сгораемым веществам или через расположенные под противопожарной зоной материалы и оборудование путем смачивания, а также с целью охлаждения жестких преград. В частности, известен способ создания противопожарной полупрозрачной цепной завесы (сетчатой) из проволоки, охлаждаемой водой [32]. Защитное действие такой завесы из металлической проволоки заключается в том, что сетка локализует конвективные потоки, а, следовательно, и передачу тепла конвекцией.

Непрозрачные (аэродисперсные) водяные завесы могут быть получены при достижении определенной дисперсности водяной струи. Они снижают на 90 % лучистый поток. Эффективность таких завес зависит от степени дисперсности воды, ее расхода и толщины завесы [33]. Основные параметры такой завесы применительно к защите рабочих от теплового излучения в металлургической промышленности установлены опытным путем, а также могут быть определены расчетом. При этом отмечается, что при крупности частиц от 5 до 20 мкм толщину завесы принимают не менее 0,82 м [34–36].

Необходимость и полезность экранов постоянно стимулировала поиск новых решений данной проблемы. Так, в работах [37–39] предлагаются для использования различные виды теплозащитных экранов простейших конструкций. В первом случае предлагается конструкция, состоящая из модульных панелей, образованных из огнестойкого волокнистого материала с закрепленными на фронтальной поверхности алюминиевыми пластинами. Второе изобретение предлагает в качестве средства для предотвращения распространения лесного пожара использовать металлическое сеточное полотно, закрепляемое к вертикальным стойкам, вбитым в землю. В третьем патенте предлагается в качестве теплозащитного ограждения для личного состава пожарной охраны при тушении газонефтяных фонтанов использовать вертикально установленные металлические экраны, составленные из двух параллельных профилированных металлических пластин, закрепленных между собой таким образом, что между ними образуется воздушная прослойка. Однако все эти и подобные им не охлаждаемые конструкции выполняют функцию лишь простой преграды тепловому потоку. При высоких значениях тепловых потоков эти преграды, нагреваясь, становятся источником вторичного теплового излучения или подвергаются термическому разрушению.

Большая группа работ [40–47] была посвящена разработкам комбинированных экранов в виде огнезащитных перегородок, дверей или завес. Большинство из предлагаемых экранов образованы не менее чем из двух эластичных полотнищ, между которыми подаются специальные реагенты: охлаждающая жидкость, воздушно-механическая или химическая пена, сыпучие или гелеобраз-ные теплопоглотители. В качестве материала этих полотнищ предлагается использовать различные виды металлических сеток, текстильных гигроскопических материалов. Преимуществом подобных преград является высокая степень ослабления тепловых потоков и относительно быстрая возможность установить их при пожаре и убрать после его ликвидации (свернуть полотнища в рулон, выдвинуть или опустить завесы). Недостатками всех этих изобретений является то, что конструкции, реализующие их, требуют сложную и дорогую технику, а также экологически небезопасные и дорогие реагенты, обеспечивающие их работоспособность. Кроме этого, такие преграды непрозрачны, громоздки и имеют ограниченную сферу применения (только внутри помещений, сооружений).

В работах [48–50] рассматриваются устройства с возможностью проявления синергически интенсивного процесса непрерывного физического эффекта испарительного охлаждения. Так, в [48] предлагается использование в противопожарных целях металлических конструкций, включающих металлическую сетку, металлическую вату или металлические переплетения, сквозь которые могут легко проходить газы. Эти конструкции могут быть в форме пожарогасящих покрытий, включающих комбинацию простых и имеющих определенную форму сеток, чередующихся в этом покрытии. При этом верхняя сторона покрытия предпочтительно должна быть закрыта металлической фольгой для быстрого гашения пожаров от воспламенения пролитых жидкостей. На эти сетки или на конструкции в форме жестких панелей может распыляться вода. Подобные металлические конструкции могут быть использованы для пассивной противопожарной защиты в виде противопожарных переборок, противопожарных крышек топливных баков и противостоящих огню оболочек пассажирского салона, посадочных мест для пассажиров и кабины экипажа в самолете, транспортных средствах, на судах и подводных лодках.

В работах [49, 50] теплоогнезащитный экран предлагается выполнить с теплостойкими слоями из иглопробивного материала на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром от 2 до 15 мкм или их комбинации. Плотность теплостойких слоев распределена с увеличением в направлении поверхности огневого воздействия от 70 до 700 г/м2, а также с наружными огнестойкими слоями из ткани на основе кремнеземных или базальтовых волокон диаметром от 5 до 15 мкм или их комбинации, поверхностной плотностью от 120 до 700 г/м2, с сеткой размерами ячеек от 55 до 2525 мм из стальной проволоки диаметром от 0,1 до 1,0 мм под наружным огнестойким слоем со стороны огневого воздействия. Экран имеет трубчатый каркас с сообщающимися каналами и форсунками для подачи воды на поверхность огневого воздействия экрана. Следует отметить, что такие преграды при длительной эксплуатации могут впитывать в себя пары нефтепродуктов или пыль, что может резко ухудшить их эксплуатационные качества.

Исследование действия теплового излучения на пожарные машины и повышения их теплоустойчивости рассматривалось в работах [51–62]. Актуальность данных исследований обусловлена тем, что выход из строя пожарной техники при тушении пожара может привести к непоправимым последствиям. Преобладающим из всех ОФП, который приводит к повреждениям пожарной техники, является лучистый тепловой поток. Нагрев элементов пожарной техники до аномальных температур при плотностях теплового потока около 10 кВт/м2 происходит быстрее времени боевой работы, а уже при значении 14 кВт/м2 – загорается пожарный автомобиль. Значения же тепловых потоков, например, при горении крупных газонефтяных фонтанов, могут достигать более 40 кВт/м2. Высокие значения тепловых потоков наблюдаются также при горении леса и пожарах на лесоскладах. На основании анализа описаний пожаров на лесоскладах [63–65] установлено, что в технологических разрывах между штабелями (10 м) поверхностная плотность лучистого теплового потока может достигать 20–25 кВт/м2 уже в начальной стадии пожара (на 3–5 мин.), а при развившемся пожаре (на 10–30 мин.) – значительно больших величин. По этой причине практически невозможно вводить пожарную технику в нормативно установленные разрывы между штабелями леса, чтобы локализовать пожар в границах противопожарных разрывов между кварталами лесоскладов (50–100 м), что приводит к значительным убыткам. Важно также отметить, что при тепловых испытаниях пожарного танка ПЛВ 6-17, предполагаемого к применению для тушения пожаров в зоне действия теплового облучения 20–25 кВт/м2 [65], было установлено следующее:

– нагрев элементов конструкции кабины в течение 5 мин. достигает значений в диапазоне от 100 до 420 С;

– внутренние поверхности нагреваются в течение 3–6 мин. до температуры в диапазоне от 90 до 240 С;

– температура воздуха в кабине на уровне головы водителя превышает предельно допустимые значения в 45 С на 50–100 %;

– поверхностная плотность лучистого теплового потока, проникающего в кабину достигает 10–12 кВт/м2, что значительно превышает предельно переносимые значения для организма человека без специальных средств защиты.

Характеристики распылов

От качества распыления жидкости зависит эффективность многих технологических процессов в аппаратах и системах различных отраслей народного хозяйства. Многообразие требований, предъявляемых к процессу распыления жидкостей при решении конкретных технических задач, вызвало необходимость всесторонних исследований процесса распыления как физического явления, которое обуславливает следующие основные показатели [97–104]:

– дисперсные характеристики, определяющие распыл как некоторую совокупность частиц различных размеров;

– характеристики распределения, показывающие распределение капель жидкости по сечению факела распыла;

– характеристики формы, позволяющие оценить размеры и конфигурацию факела;

– расходные характеристики, обеспечивающие возможность определения пропускной способности распыливающего устройства;

– гидродинамические параметры, характеризующие распыл как некоторую динамическую двухфазную систему, состоящую из капель и газа (который заключен в полости факела) и взаимодействующую с окружающим газом;

– энергетические характеристики, определяющие экономическую эффективность способа распыления и конструкцию распыливающего устройства.

При этом, важно отметить, что только расходные и энергетические характеристики связаны с конструкцией распыливающего устройства, а все остальные относятся к уже сформировавшемуся распылу [36, 97, 101].

Рассмотрим более подробно выше перечисленные показатели. Дисперсные характеристики. Форсунки, как известно, дробят жидкость на миллиарды капель различных размеров, суммарная поверхность которых измеряется десятками квадратных метров. Степень распыления (дисперсности) определяют методами математической статистики.

Весь спектр капель разбивают на ряд фракций с постоянным шагом Ad, определяемым шириной спектра, то есть разностью между максимальным и минимальным диаметрами капель в распыле таким образом, чтобы число фракций было достаточно велико (обычно от 10 до 15 и более). В качестве диаметра, характеризующего фракцию, как правило, принимается его среднеарифметическое значение, обозначаемое di , где индекс i - номер фракции. Таким образом, непрерывная совокупность капель заменяется некоторой дискретной последовательностью с определенной численностью частиц, соответствующей каждому интервалу.

Теперь, если нанести на график число капель (ni), имеющих диаметр di , то получим кривую распределения числа капель по диаметрам, которую принято называть кривой частот. Если нанести на график суммарное число капель с диаметрами, меньшими данного (di), то получим суммарную кривую распределения числа капель по диаметрам.

Чаще всего используют относительные частоты распределения числа (или поверхности или объема) капель по диаметрам. Тогда при P = 0 получаем кривую относительных частот распределения числа капель (I 0); при Р = 2 - кривую относительных частот распределения поверхностей капель (I 2); при Р = 3 - кривую относительных частот распределения объемов капель (I 3). Эти кривые называют дифференциальными кривыми распределения.

В практике обычно используют суммарные (интегральные) кривые распределения, которые менее чувствительны к колебаниям числа и размера капель и легче «выравниваются» при графическом интегрировании. Суммарные кривые показывают относительное количество (поверхность, объем) капель, диаметры которых меньше заданного. Для описания кривых распределения предложены различные зависимости. Наибольшее распространение нашло уравнение Розина-Раммлера [100, 101], которое хорошо согласуется с многочисленными экспериментальными данными, полученными для самых различных распылителей: Д3=exp[-( /,./ам)и], (3-2) где і?з - объемная доля капель, диаметр которых больше dt; ат - постоянная размера, то сеть средний диаметр капель, соответствующий определенному значению і?з(0,3679); п - постоянная распределения, характеризующая степень разнородности распыла.

При di = am имеем R3 = 0,3679, то есть 36,79 % (масс.) капель имеют диаметр больше dt. При наличии опытной кривой распределения константы ат и п легко находятся.

Таким образом, дисперсность распыла можно полностью оценить, если известны константы в уравнении кривой распределения и два средних диаметра. Задача значительно упрощается, когда распределение подчиняется уравнению Розина-Раммлера, так как оно позволяет определить любой средний диаметр.

В инженерной практике часто не представляется возможным экспериментально исследовать мелкость распыления. Для определения дисперсных характеристик используют эмпирические (критериальные) уравнения, связывающие эти характеристики с основными факторами и полученные при обобщении экспериментальных материалов для каждой конструкции или класса распылителей. К основным факторам относятся: геометрические параметры распылителя, скорость истечения жидкости, ее физические свойства, а также физические свойства окружающего газа. Геометрические параметры зависят, прежде всего, от типа и конструкции распыливающего устройства, более подробному рассмотрению которых, посвящены последующие разделы настоящей работы. Из физических свойств жидкости наиболее существенными являются вязкость и поверхностное натяжение, а из физических свойств газа - вязкость и плотность. Ниже рассматриваются некоторые основные факторы, влияющие на дисперсность [97, 99, 102-104]. Влияние вязкости жидкости. При увеличении вязкости распыливаемой жидкости распыл становится более грубым, но и более однородным. Однако, показатель степени при \хж колеблется в широких пределах (от 0,2 до 0,9), что объясняется зависимостью степени влияния вязкости от диапазона и области ее варьирования. При малых вязкостях (до 300-500 Па-с) ее влияние незначительно, но при дальнейшем увеличении оно начинает быстро возрастать.

Влияние поверхностного натяжения. В процессе дробления жидкости с возрастанием поверхностного натяжения размер капель увеличивается.

Влияние плотности жидкости. Роль плотности жидкости достаточно мала, что объясняется ее изменением в малом диапазоне практически для всех распыляемых жидкостей.

Влияние вязкости газа. Увеличение вязкости газовой среды вызывает некоторое уменьшение размера капель.

Влияние плотности газа. При струйном истечении жидкости из распылителя в случае увеличения плотности (давления) газовой среды, в которую распыляется жидкость, в 2-3 раза, размер капель несколько уменьшается. При дальнейшем же ее увеличении (в 6-20 раз) диаметр капель перестает зависеть от изменения плотности газа.

Влияние скорости истечения жидкости. Качественная зависимость мелкости распыления от скорости истечения хорошо согласуется с экспериментальными данными. С увеличением скорости истечения жидкости размер капель уменьшается вначале быстро, а затем, более плавно.

Таким образом, необходимо отметить, что при выборе той или иной зависимости для расчета дисперсных характеристик нужно учитывать не только конструкцию распылителя и режим его работы, но и физические свойства распыляемой жидкости и газовой среды.

Характеристики распределения. Распределение жидкости в факеле распыла характеризуется полем удельных потоков плотностей орошения в различных точках факела. Удельным потоком жидкости называют отношение ее секундного расхода к величине площадки, перпендикулярной направлению движения капель. Поскольку траектории полетов капель значительно отличаются от прямолинейных траекторий, на практике удельным потоком считают отношение секундного расхода жидкости к величине площадки, перпендикулярной оси сопла, то есть q = AVж /Af.

Разработка экспериментального стенда и методики исследований

Экспериментальный стенд для определения параметров и характеристик теплозащитных экранов, обеспечивающих максимальную степень ослабления тепловых потоков (рисунок 4.1), состоял из следующих основных элементов:

– источника теплового излучения с плотностью теплового потока до 25 кВт/м2;

– передвижной платформы с модулем теплозащитного экрана; – средств подачи воды;

– измерительного комплекса.

Модуль теплозащитного экрана представлял собой две металлические сетчатые поверхности с размером 1,01,0 м, закрепленные на каркасе параллельно друг другу. Конструкция стенда позволяла:

– использовать сетки из различных материалов и с разными размерами ячеек;

– использовать различные форсунки;

– варьировать межсеточное расстояние и расстояние от источника теплового потока до экрана;

– варьировать давление и расход воды, подаваемой на форсунки;

– обеспечивать измерения теплового потока в диапазоне от 0,05 до 25 кВт/м2 с точностью не менее 0,01 кВт/м2;

– проводить измерения температуры водной пленки на поверхностях сеток.

Разработанный стенд имел следующие технические характеристики:

- тепловой поток, создаваемый источником, до 25 кВт/м2;

- температура пламени источника теплового потока 800-1200 С;

- расстояние до датчика теплового потока 75-275 см;

- диапазон измерения теплового потока датчиком 0,05-25 кВт/м2;

- чувствительность датчика теплового потока 50 мВ м2/кВт;

- быстродействие датчика теплового потока 0,2-0,5 с;

- точность измерения теплового потока 0,01 кВт/м2;

- диапазон изменения межсеточного расстояния 5-20 см;

- давление воды в системе, до 15 атм;

- обеспечиваемый расход воды, до 24 л/мин;

- количество форсунок, до 4;

- диапазон измерения температуры сеток 15-100 С;

- точность измерения температуры сеток 0,1 С;

- площадь испытываемого экрана, до 1,5 м2;

- характеристики форсунок:

- расход воды на одну форсунку 80-100 г/с;

- угловые параметры распыления а = 90-180; р = 12-15;

- дисперсность 15-500 мкм.

Испытания выполнялись с применением источника теплового излучения, входящего в состав испытательного стенда (печь с размерами окна 60x90 см2; температура пламени 900-1000 С). Перед проведением испытаний были определены значения теплового потока на различном расстоянии от источника теплового излучения (рисунок 4.2)

Проведение экспериментов осуществлялось по следующей методике. Модуль теплозащитного экрана (4) устанавливается на платформе (1) на фиксированном расстоянии от источника теплового потока (2). Подготавливаются к работе измерительные (5) и регистрирующие (8) приборы. Включается насос подачи воды (7) и регистрируется давление воды в магистрали по манометру (6). С помощью датчика (5) фиксируются значения плотности теплового потока за модулем экрана.

Эксперимент продолжается до получения стационарных значений плотности теплового потока за модулем защитного экрана. После окончания опыта, приведения установки в первоначальное состояние и изменения одного из начальных условий эксперимента (расход воды, расстояние от модуля теплозащитного экрана до источника теплового потока, размер ячеек сетки, тип форсунки, межсеточное расстояние и т. п.) процедура опыта повторяется вновь.

Испытания противопожарной преграды на огнестойкость

С целью возможности применения разработанных теплозащитных сетчатых экранов на практике в качестве противопожарных преград были проведены их сертификационные испытания на огнестойкость в испытательной лаборатории ООО «КОМПОМАГ» [109].

Образец для испытаний представлял собой стационарную противопожарную преграду размерами 15001500 мм (рисунок 4.8).

Конструкция образца преграды состояла из девяти блок-панелей с фильтрами, основу которых составляли сетки нормальной точности из нержавеющей стали. В нижней части конструкции преграды с необогреваемой стороны устанавливались соединительные напорные головки с резиновыми кольцами, к которым подсоединялись напорные рукава для подачи воды к распыляющим форсункам, расположенным в верхней части конструкции. Давление воды в системе при испытаниях составляло 0,4 МПа (рабочее давление от 0,4 до 0,6 МПа).

Испытания проводились в соответствии с методами, нормируемыми ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции» [110] и ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования» [111].

В соответствии с требованиями [28, 110, 112] для нормирования пределов огнестойкости для ненесущих и внутренних стен и перегородок используют предельное состояние по потере целостности (E), теплоизолирующей способности (I) или достижения предельной величины плотности теплового потока на нормируемом расстоянии от необогреваемой поверхности конструкции (W).

Предельным состоянием по E является образование в конструкции сквозных трещин или отверстий, через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя. В процессе испытания потерю целостности ограждающей конструкции определяют при помощи ватного тампона по [111], который помещают в металлическую рамку с держателем и подносят к местам, где ожидается проникновение пламени или продуктов горения, и в течение 10 с фиксируют на расстоянии 20–25 мм от поверхности образца. Время от начала испытания до воспламенения или возникновения тления со свечением тампона является пределом огнестойкости конструкции по признаку потери целостности, при этом обугливание тампона, происходящее без воспламенения или без тления со свечением, не учитывают.

Предельными состояниями по I являются повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140 С или в любой точке этой поверхности более чем на 180 С в сравнении с температурой конструкции до испытания или более 220 С независимо от температуры конструкции до испытания. При оценке достижения допустимой величины плотности теплового потока W, равной 3,5 кВт/м2 (с отклонением ±5 %), измерения проводятся на расстоянии 0,5 м от геометрического центра необогреваемой поверхности конструкции преграды.

Для определения численных значений критериев отнесения рассматриваемой преграды к соответствующему классу пожарной опасности [28] использовался метод, приведенный в ГОСТ 30403-2012 «Конструкции строительные. Метод испытаний на пожарную опасность» [113], в соответствии с которым, без испытаний конструкций допускается устанавливать следующие классы пожарной опасности:

K0 – для конструкций, выполненных только из материалов группы горючести НГ;

K3 – для конструкций, выполненных только из материалов группы горючести Г4.

Для остальных конструкций классы пожарной опасности могут быть установлены только в результате огневых испытаний.

Испытания образцов проводились при температуре окружающей среды от 8 до 15 С, атмосферном давлении от 98,6 до 100,2 кПа и относительной влажности 43–51 %. Измерения этих величин проводились перед началом испытаний на расстоянии 1,2 м от необогреваемой поверхности образцов.

Процедура испытаний заключалась в следующем. Осуществлялся жесткий монтаж преграды в держателе образца (испытательной раме), к которому заранее были приварены четыре металлические пластины. Посредством использования саморезов по металлу через пластины образец крепился к испытательной раме. Зазор между торцами и обрамлением держателя образца заделывался огнеупорным керамическим стекловолокном. Держатель с образцом устанавливался в технологическом проеме вертикальной печи для испытания строительных конструкций на огнестойкость. Горячие спаи печных термоэлектрических преобразователей (термопар), в количестве пяти штук, устанавливались равномерно по площади вертикального огневого проема на удалении не менее 200 мм от стен, пола и потолка огневой камеры и на расстоянии 100 ±10 мм от обогреваемой поверхности образца. На необогреваемой поверхности одну термопару располагали в центре, а остальные – в середине прямых, соединяющих центр и углы огневого проема печи (рисунок 4.9).

Испытания проводились на метрологически аттестованной малогабаритной печи для испытания строительных конструкций на огнестойкость с использованием поверенных средств измерений (таблица 4.1).